當前植物工廠所面臨的主要問題及解決思路

吳義炳 徐永

【摘要】本文提出了一種全新的基于植物生長規律及特性的流水生產線式植物工廠。這種植物工廠由硬件系統與軟件系統構成，通過對硬件系統的分析，提出了節能減耗、降低硬件成本的幾種有效方案。在軟件方面，我們致力于尋找基于植物生長規律及特性的生產流水線，該“流水線”式植物工廠能提供一種可擴展式植物生產方式，模擬植物的最佳生長環境，能用最少的投入和最低的能耗生產出質量好、數量高、周期短的“產品”。因此，這種植物工廠具有成本低、效益高的優點，既有利于大規模的工業化推廣，又有利于小型智能化家庭植物工廠的選用。

目前，由于人口快速增長、耕地日益減少、土地資源短缺、生物環境污染、農藥化肥濫用等問題，使得人們必須的傳統糧食作物和蔬菜等生產在產量與安全上都面臨著巨大的挑戰；另一方面，隨著人們生活水平的不斷提高，對食物在衛生、營養、健康、綠色等方面的要求越來越高[1]。解決上述矛盾的最有效的方法是建立植物工廠。植物工廠，從廣義上講涵蓋了從利用自然光到人工光和混合光源的所有設施園藝，從狹義上講則是專指利用環境自動控制、電子技術、生物技術、機器人和新材料等進行植物周年連續生產的系統，也就是利用計算機對植物生長的溫度、濕度、光照、CO2濃度和營養液等環境條件進行自動控制，使設施內植物生長不受自然氣候制約的省力型生產[2-5]。除有特別說明的以外，本文所指的都是狹義的人工光型植物工廠，這類植物工廠發展到高級階段將完全采用工業化、程序化的生產模式，最終實現栽培環境的最優化，所生產出的植物品質好、產量高、周期短、速度快、污染少、效益高，具有傳統栽培模式無法比擬的優勢，代表著未來農業的發展方向，是植物栽培的最高境界[6-9]。其優勢集中表現為以下幾點：首先是較高的農業生產率，在有限的土地上利用智能化的環境控制和立體栽培技術，提高土地產出率和勞動生產率；其次是擴展了種植范圍，使寒冷、酷熱、沙漠、甚至太空等不毛之地的農業生產成為可能；再次是好的工作環境，植物工廠內的作業環境優越，實行機械化生產節省勞動力，使勞動生產率周年平均化；再者是優的產品質量，可進行無農藥生產，提供新鮮且品質高的綠色食品；最后是穩定的生產效率，利用營養液栽培減少連作障礙，周年有計劃地生產。植物工廠生產的對象豐富，可包括蔬菜、花卉、藥材、果樹、食用菌和部分大田作物等。

面臨的主要問題

植物工廠自身存在眾多優點，近幾年無論是在數量、規模上還是在質量和效率上都得到了相當的發展。盡管如此，當前植物工廠在發展和推廣上仍存在一些“瓶頸”問題，主要體現在以下幾個方面：

植物工廠普遍存在成本高的問題

當前，植物工廠造價高，最低造價每平方米也在千元以上，最高可達幾萬元，高昂的成本嚴重地限制了技術的推廣。成本較高的原因主要包括兩個方面：一是前期投入成本比較高。植物工廠是設施農業，需要通過人工光源或者補光系統、營養液設備和智能監控系統等外在硬件設備，以及對溫、光、水、氣、肥等環境的智能調控管理，而這些設施成本較高。盡管植物工廠在產量和效率方面有突出的優點，但高昂的初始投入和后續維護成本問題也同樣明顯。一個中等規模的植物工廠建成需要十幾萬元，甚至更高的投入，這在相當程度上影響了它的普及與推廣。二是植物工廠耗電量巨大，有的耗電成本投入甚至大于產出價值，這在家庭植物工廠中表現尤其明顯。而且后期對植物工廠的維護與管理還要有一筆開支。因此，如何降低成本是解決制約植物工廠進一步發展與推廣的最主要“瓶頸”問題。

對作物生長規律的研究不夠深入，且研究對象較單一

目前，對作物在植物工廠中生長規律的研究不夠深入，所涉及的作物種類較少。能根據作物的生長規律及特性而制定出的標準化、程序化、專家化的生長指標很少。眾所周知，不同作物的生長所需要的光照、溫度、濕度、CO2和營養條件等都不相同，即便是同種作物在不同生長時期對環境的需求也不相同。因而不可能用一個統一的生長模式來對所有植物的生長過程進行控制，而是要根據不同的植物制定出適宜的外部生長環境。但到目前為止，對作物在實際生產中，還缺乏精細的生產指導和必要的數據支持。這一問題如果沒有很好的解決，將導致作物在植物工廠中的生長效果不佳且生產效率低下。例如，近年來研究者以生菜和黃瓜等為研究對象，進行光照、溫度、濕度和營養液等人工環境控制的研究[10]，但研究得還不夠深入，還很難做到類似工業化的精細生產和管理。再者，研究對象多局限在生菜和黃瓜等十分有限的幾種類型。如果消費者想生產其他類型的作物，就會因為沒有相應的指導數據而使產量和效率低下，浪費寶貴的能源。因此，豐富植物工廠作物生產管理指導就成為植物工廠發展過程中所需解決的另一個基本問題。

植物工廠智能化程度低，操作較為煩瑣

隨著人們生活節奏的不斷加快，以及對生活品質要求的不斷提高，對植物工廠生產的綠色植物的需求越來越大，但植物工廠并沒有得到預期的發展，除了成本高外的，另一個重要因素就是植物工廠智能化程度低，操作仍然較為復雜，有的甚至還需要專家來完成一些關鍵環節。近年來，雖然植物工廠在智能化研究方面取得了一定的成績，但總體而言，植物工廠的智能化程度還不是太高。由于本身的高成本、低產出使植物工廠自動化程度更低，智能化方面的研究則更少，還基本停留在對環境的簡單控制方面，而且操作較為煩瑣。這也是制約植物工廠普及與推廣的一個重要方面。

解決瓶頸問題的新思路

眾所周知，計算機特別是PC機在短短的幾十年里獲得了異常迅速發展，不僅在性能上有很大的提高，在價格上也有大幅度的下降。計算機的發展之所以如此迅速，除了受到半導體技術本身快速發展的支撐之外，另一個重要因素在于計算機是一種通用設備，具有很大的市場，得到了廣泛的普及與推廣。不同的領域、行業，不同的群體，都可以使用同樣的計算機（相同的硬件設備），只要安裝不同的應用軟件就可以滿足不同的需求。

借助于計算機系統中硬件和軟件既能分開開發，又能組成一個相互協調的有機統一體的思想，我們把植物工廠這個集成系統也分成相對統一的硬件系統和針對具體植物生長規律及特性而實現的對其成長環境進行具體化、標準化、規范化控制的軟件系統。這樣植物工廠的硬件系統及其相應的硬件設備可以做成通用的（最多只是尺寸與規模上的差異），有利于大規模推廣，運行成本會隨著規模的增大而有較大的降幅；反之，成本的大幅下降又促使其得到進一步的普及與推廣。而栽培不同的植物只需更換不同的植物成長環境的控制軟件即可。這種軟件在植物工廠中運行也就相當于引入了栽培這種植物的“生產線”。這樣在同一個植物工廠中，通過運行不同的控制軟件，就能十分容易地變換不同的“生產線”，生產出不同的植物品種。下面我們將分別從硬件和軟件上對其進行具體的分析與討論。

植物工廠硬件系統分析

在硬件系統方面，植物工廠一般包括：主控單元以及與該主控單元密切相聯的光源控制單元、CO2控制單元、溫度控制單元、濕度控制單元、營養物質控制單元及植物生產線選擇單元（或人機交互單元），如需要還可增加一些必要的單元模塊。近年來，植物工廠有兩種不同的栽培技術體系并行發展。一種是以溫室為主體，太陽光-人工光并用型植物工廠；另一種是全封閉的、以人工光源為主體的人工光植物工廠[5]。與太陽光-人工光并用型植物工廠相比，人工光植物工廠在光環境控制方面具有較為明顯的優勢，但電力成本較高。特別是在人工光植物工廠中的電能消耗成本通常約占總體運行成本的50%～60%，主要包括人工光源、空調、風機、加濕器、控制裝置等設備的用電能耗，其中人工光源是密閉式植物工廠耗能的重點。有學者研究表明，在人工光植物工廠中，人工光源（熒光燈）耗電量約占總耗電量的82%[11]。因此，降低人工光源耗電量是有效降低人工光植物工廠運行成本的主要措施。而且人工光源耗電量的減少將降低工廠內產生的熱量以及水分的蒸發量，從而進一步減少了空調、風機、加濕器等設備的能耗，進而帶動了整體能耗的進一步降低。因此，人工光源的節能降耗已成為近年來植物工廠研究的熱點。在硬件系統方面，節能減耗，降低成本的主要從以下四個方面著手。

◆ 配置與植物成長特性光譜相吻合的LED光源是解決人工光源耗電、降低成本的根本方法。其原因在于：①與傳統光源相比，LED具有電光轉化效率高、可使用直流電、節能、體積小、壽命長、波長固定、發熱量低及制冷費用少等優點。②LED是冷光源，可將光源安裝在與植物距離較近的位置，既可大大提高栽培空間的利用效率，又可進一步降低能量損耗。③已有的研究表明，植物存在著明顯的選擇性吸收現象，并且不同的植物，甚至同一種植物在不同的成長階段對光波譜線的需求都是不同的。傳統的高壓氣體燈或熒光燈的光譜較寬，大大降低了其光能的利用率。而LED的光譜域寬一般都在±20 nm左右，并且還可以做得更窄。LED 能夠發出植物生長所需要的單色光譜，并能對不同光質和發光強度實現單獨的控制，使其波長正好與植物光合作用、形態建成和有效物質積累所需的光譜范圍相吻合，從而使光能有效利用率得到顯著提高[12]。④隨著半導體光源技術的不斷進步，LED發光強度的提高以及價格的降低，前期投入成本會進一步減小，能量消耗也會進一步降低。

◆ 將新能源技術引入到植物工廠中，用新能源代替常規電能供能，其中太陽能作為一種可再生能源，具有取之不盡、用之不竭的特點，且使用過程中不會對生態環境造成破壞，其應用研究發展迅速，已廣泛應用于日常生活，近年來在農業領域中的應用也越來越廣。因此，若能將太陽能技術應用于植物工廠中，既可節省能源，又可減少其對常規能源的依附，有望使植物工廠在西北部等非可耕地、無動力能源地區得到推廣和高效生產，推動植物生產的革命性突破。此外，太陽能也可以與太陽光型的植物工廠相結合。我們知道太陽輻射中可見光部分僅占全部輻射的52%左右，不可見的紅外線占43%，而紫外線占5%。在可見光中，對植物成長作用特別明顯的是紅光波段及藍光波段。如：葉綠素吸收最多的是紅光部分，其對植物生長的促進作用也最大，藍紫光次之，黃綠光最弱。而目前太陽能電池用來發電的是太陽光譜中的短波部分，對于長波的紅光和紅外光的利用率較低，這正好與植物的光譜形成某種程度的互補。因而如果能研制出對短波高效吸收，對長波完全透明的薄膜太陽能電池板并用作植物工廠的屋頂，即可構建一套屋頂太陽能發電系統，為植物工廠的設備（LED補光或空調等）提供電力，也可為植物工廠提供一定量的必要光源，可謂一舉兩得。這將大大增加這一清潔的可再生能源的利用率，因而可進一步降低能耗。

◆ 植物工廠硬件系統的標準化、模塊化是降低成本的又一舉措。植物工廠硬件設備，尤其是把各控制單元模塊化、規范化也有利于大規模的推廣，進而降低硬件的成本。

◆ 對于太陽光型的植物工廠，將轉光玻璃裝在其屋頂則是高效利用太陽能的另一個有重要手段。在太陽光型植物工廠中，由于空氣中的塵埃、霧霾及陰雨等惡劣天氣的影響，及在高緯度地區、冬春季節等環境中，就會導致溫室內的光照不足，植物生長所需的紅光與藍光達不到應有的強度，與此同時，由于植物需要吸收的近紫外光和其它波段的可見光很少，這些波段就會出現過剩的現象，如果讓這些光特別是紫外光不加處理而直接照射到植物上，不但不能對植物的光合作用起促進作用，而且可能會抑制植物的成長。為了解決上述問題，將無法被植物利用的光譜成分變廢為寶，可在植物工廠的屋頂加裝一種轉光玻璃，這種玻璃內部的轉光材料——熒光粉可以將太陽光譜中的紫外線或植物光合作用吸收很少的可見光轉換成植物光合作用所需的紅光、藍光，可有效提升了太陽能的利用率，大幅降低人工光源的能耗，降低成本。

植物工廠軟件系統的分析

植物工廠的主要特征之一就是通過控制植物生長的光環境、CO2濃度、溫度和濕度以及土壤中的養分、溫度和濕度等因素來形成植物生長的最佳外部條件。以光環境為例，喜陽植物需要充足的光照，喜陰植物則希望少些光照。但具體的光照強度多少為宜，在這方面目前仍然無統一的標準。但可以肯定的是，不同植物對光照的需求量是不同的，同種植物在不同的生長階段對光照的需求量也是不同的。另一方面，從光譜的結構上分析，我們知道太陽光是個連續光譜。研究表明，植物對藍光和紅光部分有兩個很強的吸收峰值，對它們植物的生長和有效物質的積累都可起到關鍵的作用。此外，植物在不同的生長階段所需的光譜成分也有所不同。因此，為創造出最適合于植物生長的光環境，也為了節約能源和所投入的生產成本，植物工廠就必須能根據植物生長的需求，實時地改變光源的強度、光譜結構、光照時間等，這樣才能高效、節能地促進植物的快速健康成長。其它的外部環境因素，如溫度、濕度、CO2濃度等也是如此。只有充分考慮到植物的特性和生長的規律，才能創造出最合適這種植物的生長環境。

由于每一種具體植物的成長環境是不同的，當前沒有也不可能存在一個統一植物成長的標準環境。每一種具體植物的最佳成長環境，都應該通過不斷的實驗——“訓練”來實現（圖1）。這種“訓練”可以在一個“實驗箱”（或者說是一個小型的植物工廠）中進行，且這種“訓練”一般是由專家完成的。雖然這樣的“訓練”要消耗大量的時間和精力，但只要找到了這種植物的最佳生長環境，即：在植物生長的每個階段需要哪些波段的光譜，它們的比例是多少，持續的時間是多久，強度是多大，及溫度、濕度和養份的最佳值等，并在整個成長階段都把這些參數詳細地記錄下來，然后將這些數據通過軟件編程寫成能模擬這種植物成長最佳環境的控制軟件，那么，這種軟件也就是這種植物的最佳生產流水線。因為只要把這個軟件安裝到植物工廠的主控單元中運行，該植物工廠就能重現出這種植物的最佳成長環境，也就相當于裝配了一條生產這種植物的“生產線”。這樣，植物工廠就能用最少的投入和最低的能耗生成出質量好、產量高、周期短的“產品”。誠然，前期的“訓練”確實要占用大量的時間和精力，要耗費很多的人因成本，但這種以軟件的形式存在的“生產流水線”，在植物工廠中極易推廣，且大規模推廣后分攤到每個工廠中的成本就大大降低了。因此，這種基于植物生長規律的“生產流水線”式植物工廠具有經濟效益高，易于大規模、工業化推廣的特點，并且還具有成本低、成效高的優點。這種“生產線”以軟件的形式存在，對植物工廠的規模沒有特別的要求，容易引入到小型的家庭植物工廠中，同樣可以使家庭植物工廠的投入成本降低，并且，也可使家庭植物工廠智能化程度大大提高，操作簡單化，有利于家庭植物工廠的普及和推廣。

在植物工廠“生產線”開發的初期，為了加快“植物生產線”開發的速度，也可作如下設想。如果只依靠專家來“訓練”出所有植物的最佳生長環境——“生產線”這樣詳細、具體的過程，那一定要經歷很長的時間，開發緩慢。如果我們先讓專家“訓練”出某種植物生產線的主要指標、參數或輪廓，而具體的、詳細的、細微的生產優化過程則交給用戶在植物工廠中邊生產邊“訓練”，把其中最理想的過程存儲起來，作為該植物的生產線，同樣也能得到很好的效果。這樣，既能以較快的速度開發出植物工廠所需的生產線以滿足人們日益增長的對綠色環保植物的需求，又能使作物在植物工廠的生產工程中不斷得到優化，從而達到節能、增產的目的。

這種流水線式的植物工廠的另一個優點是它的可擴充性。當硬件設施配備齊了之后，只要裝上某種產品的流水線軟件，就可以以最佳的流程生產出這種產品。如果用戶打算生產另一種產品，他們并不需要在硬件上重新投入，只須再裝上那種產品的流水線軟件，又可以以最佳的流程生產出那種產品。這樣就可以極大地節省硬件方面的投入，達到硬件可重復使用，軟件可選擇、可擴充的目的。

結束語

針對當前植物工廠普遍存在的投入成本高、能耗大，對作物在植物工廠中生長規律的研究不夠深入，所涉及的作物種類少，植物工廠智能化程度低等問題，本文提出了一種全新的生產理念和生產模式，將生產流水線的概念引入到植物栽培的過程中。提出了一種基于植物生長規律及特性的流水生產線模式的植物工廠，這種植物工廠是由硬件系統與軟件系統構成的。通過對硬件系統的分析，提出了節能減耗、降低硬件成本的幾種有效方案。在軟件方面，我們致力于尋找基于植物生長規律及特性的生產流水線。雖然找出植物生長過程的最佳環境——“生產線”需要投入大量的時間和精力，耗費相當大的人因成本，但一旦找到并做成這種植物“生產線”的標準化程序之后，此程序具有通用性，如果大規模推廣，則分配到每一個植物工廠的軟件成本會相當低。由于該“流水線”式植物工廠能提供一種可擴展式植物生產方式，模擬植物的最佳生長環境，它就能用最少的投入和最低的能耗生成出質量好、數量高、周期短的“產品”。因此，這種基于植物生長規律的“流水線”式植物工廠具有經濟效益高、易于大規模、工業化推廣的特點，并且還具有成本低、成效高的優點，既有利于大規模工業化的推廣，還有利于小型智能化家庭植物工廠的選用。

參考文獻

[1] D. M. Sango， D. Abela， A. McElhatton， V.P. Valdramidis. Assisted ultrasound applications for the production of safe foods[J].Journal of Applied Microbiology，2014，116： 1067-1083.

[2] T. Kozai， K. Ohyama， C. Chun. Introduction to horticultural lighting-new development-commercialized closed systems with Artificial Lighting for Plant Production[J]. Acta Horticulturae，2006，711：61-70.

[3] 商守海，周增產，卜云龍等.JPWZ-1型微型植物工廠的研制 [J].農業工程，2012，2（1）：44-47.

[4] T. Morimoto， T. Torii， Y. Hashimoto. Optimal control of physiological processes of plants in a green plant factory[J]. Control Eng.Practice，1995，3（4）：505-511.

[5] 胡永光， 李萍萍， 堀部和雄. 日本的植物工廠及其新技術[J]. 世界農業， 2002， 283（11）： 45-46.

[6] I. Ioslovich， P. O. Gutman. Optimal control of crop spacing in a plant factory[J]. Automatica， 2000， 36： 1665-1668.

[7] T. Morimoto， K. Hatou， Y. Hashimoto. Intelligent control for a plant production system[J]. Control Eng. Practice， 1996， 4（6）：773-784.

[8] M.C. Hu， Y.H. Chen， L.C. Huang. A sustainable vegetable supply chain using plant factories in Taiwanese markets： A Nash-Cournot model[J]. Int. J. Production Economics， 2014，148：166-171.

[9] 賀冬仙，朱本海，楊珀，等.人工光型密閉式植物工廠的設計 與環境控制[J].農業工程學報，2007，23（3）：151-157.

[10] H.U. Frausto，J.G. Pieters，J.M. Deltour. Modelling greenhouse temperature by means of auto regressive models[J]. Biosystems Engineering， 2003， 84（ 2）： 147.

[11] 王君，劉紹平，楊其長，等.人工光植物工廠風機和空調協同 降溫節能效果[J].農業工程學報，2013， 29（3）： 177-183.

[12] 魏靈玲，楊其長， 劉水麗.LED在植物工廠中的研究現狀與應 用前景[J].中國農學通報.2007，23（11）：408-411.